(57)【要約】【課題】燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼の間で切り替えるとき、ガスタービン・エンジンに供給される燃料の総和を目標値に精度良く制御し、エンジン回転数の変動を抑制するようにしたガスタービン・エンジンの制御装置を提供する。【解決手段】予混合燃焼に使用される燃料を調量する第１のバルブと、拡散燃焼に使用される燃料を調量する第２のバルブを備え、燃焼方式を一方から他方に切り替えるとき、他方の燃焼方式を実行するのに必要な燃料が供給されるように第１のバルブと第２のバルブのうちの他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させると共に、他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させてから所定期間ＴＩＭＥ-pre-stg経過後、予混合燃料流量Ｇfpreと拡散燃料流量Ｇfdiffの和が一定に保たれるように、一方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に減少させる一方、他方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に増大させる。【選択図】図７
2006283714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン・エンジンの燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼との間で切り替えるガスタービン・エンジンの制御装置であって、
ａ．前記予混合燃焼に使用される燃料を調量する第１のバルブと、
ｂ．前記拡散燃焼に使用される燃料を調量する第２のバルブと、
および
ｃ．前記第１のバルブと前記第２のバルブの開度を制御して前記予混合燃焼と前記拡散燃焼とからなる前記燃焼方式を一方から他方に切り替える燃焼方式切り替え手段と、
を備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記燃焼方式切り替え手段は、前記燃焼方式を前記一方から前記他方に切り替えるとき、前記他方の燃焼方式を実行するのに必要な燃料が供給されるように前記第１のバルブと前記第２のバルブのうちの前記他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させると共に、前記他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させてから所定期間経過後、前記ガスタービン・エンジンに供給される燃料の総和が一定に保たれるように、前記一方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に減少させる一方、前記他方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に増大させることを特徴とするガスタービン・エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はガスタービン・エンジンの制御装置に関し、より具体的には定置型のガスタービン・エンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン・エンジン、特に定置型のガスタービン・エンジンとして、近時、比較的小出力の発電機に接続して自家発電装置を構成する小型のタービンが開発されつつある。この種のガスタービン・エンジンは燃料としてガス燃料を用い、ガス燃料と空気を燃焼器に供給して予混合燃焼あるいは拡散燃焼を生じさせている。
【０００３】
燃焼方式とエミッション性能の点に関し、ＮＯｘの排出濃度は燃焼温度が上がるにつれて増加するが、予混合燃焼では均一な温度分布の燃焼が得られることから、低エミッション化の点では予混合燃焼が優れている。しかしながら、予混合燃焼は燃焼温度が拡散燃焼に比して低いことから、燃焼として不安定で失火を招きやすいため、予混合燃焼が可能な範囲は限られる。
【０００４】
他方、拡散燃焼は燃焼範囲の全域にわたって可能であるが、混在する高温部位がＮＯｘの排出濃度を増加させることから、低エミッション化を図るためには、予混合燃焼が可能なときは、燃焼方式を拡散燃焼から予混合燃焼に切り替えるのが望ましい。
【０００５】
その意図から、本出願人が先に提案した特許文献１にあっては、燃焼状態（断熱火炎温度やベンチュリミキサの入口空気温度）に応じて燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼の間で切り替えるように構成している。尚、特許文献１に記載される技術にあっては、予混合燃焼に使用される燃料を調量する第１のバルブと、拡散燃焼に使用される燃料を調量する第２のバルブとを備え、それらの開度を制御することによって燃焼方式の切り替えを行っている。具体的には、燃焼方式の切り替え開始から切り替え終了までの間、ガスタービン・エンジンに供給される燃料のうち、拡散燃焼用として拡散燃焼を実行するのに必要な最小限の燃料が供給されるように第２のバルブの開度を制御すると共に、残余が予混合燃焼用として供給されるように第１のバルブの開度を制御するようにしている。燃焼方式の切り替え過渡期に両方の燃焼方式を平行して実行するのは、安定した切り替えを実現するためである。尚、各バルブの開閉は、特許文献１の図７および図８からわかるように、時間的に同時に行われる。
【特許文献１】特開２００３−６５０８０号公報（段落００６０から００７２、図７および図８など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した第１のバルブや第２のバルブで調量された燃料は、配管を介してガスタービン・エンジンの燃焼器に供給される。従って、第１のバルブまたは第２のバルブが開弁してから燃料が燃焼器に到達するまでには、配管の容積に応じた時間的な遅れが生じる。そのため、燃焼方式の切り替え開始時に各バルブの開閉を同時に行うと、ガスタービン・エンジン（具体的には燃焼器）に供給される燃料の総和が目標値よりも一時的に低下し、エンジン回転数が変動してしまうという不具合があった。
【０００７】
また、ガスタービン・エンジンに供給される燃料のうち、拡散燃焼用として拡散燃焼を実行するのに必要な最小限の燃料を供給し、残余を予混合燃焼用として供給するようにしているため、切り替え開始時または終了時の、拡散燃焼用の燃料または予混合燃焼用の燃料の変化量が比較的大きい。そのため、切り替え開始時または終了時に燃料の総和が目標値からずれ、エンジン回転数の変動を招くおそれがあった。
【０００８】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼の間で切り替えるとき、ガスタービン・エンジンに供給される燃料の総和を目標値に精度良く制御し、エンジン回転数の変動を抑制するようにしたガスタービン・エンジンの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、請求項１にあっては、ガスタービン・エンジンの燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼との間で切り替えるガスタービン・エンジンの制御装置であって、前記予混合燃焼に使用される燃料を調量する第１のバルブと、前記拡散燃焼に使用される燃料を調量する第２のバルブと、および前記第１のバルブと前記第２のバルブの開度を制御して前記予混合燃焼と前記拡散燃焼とからなる前記燃焼方式を一方から他方に切り替える燃焼方式切り替え手段とを備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記燃焼方式切り替え手段は、前記燃焼方式を前記一方から前記他方に切り替えるとき、前記他方の燃焼方式を実行するのに必要な燃料が供給されるように前記第１のバルブと前記第２のバルブのうちの前記他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させると共に、前記他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させてから所定期間経過後、前記ガスタービン・エンジンに供給される燃料の総和が一定に保たれるように、前記一方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に減少させる一方、前記他方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に増大させるように構成した。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係るガスタービン・エンジンの制御装置にあっては、予混合燃焼に使用される燃料を調量する第１のバルブと、拡散燃焼に使用される燃料を調量する第２のバルブとを備え、燃焼方式を一方から他方（予混合燃焼から拡散燃焼、あるいは拡散燃焼から予混合燃焼）に切り替えるとき、他方の燃焼方式を実行するのに必要とされる燃料が供給されるように第１のバルブと第２のバルブのうちの他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させると共に、他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させてから所定期間経過後、ガスタービン・エンジンに供給される燃料の総和が一定に保たれるように、一方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に減少させる一方、他方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に増大させるように構成したので、燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼の間で切り替えるとき、ガスタービン・エンジンに供給される燃料の総和を目標値に精度良く制御することができ、エンジン回転数の変動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に即し、この発明に係るガスタービン・エンジンの制御装置を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、この発明の第１実施例に係るガスタービン・エンジンの装置を概略的に示す概略図である。
【００１３】
図１において、符号１０はガスタービン・エンジンを全体的に示す。ガスタービン・エンジン１０は、コンプレッサ１２と、タービン１４と、燃焼器１６を備える。コンプレッサ１２は、タービン１４の出力軸（タービンシャフト）１８を介してタービン１４に連結され、タービン１４の回転で駆動させられる。
【００１４】
また、タービン１４の出力軸には発電機２０が接続される。発電機２０はタービン１４の回転で駆動され、１００ｋＷ程度の電力を発電する。発電機２０には電気機器（図示せず）が負荷として接続される。
【００１５】
燃焼器１６には空気取り入れ口（図示せず）に接続される吸気路２２が接続されると共に、燃料源（図示せず）に昇圧装置２４（図２に示す）を介して接続される配管（燃料供給路）２６が接続される。尚、燃料としては、天然ガスなどのガス燃料が使用される。
【００１６】
より詳しくは、配管２６は途中で配管２６ａと配管２６ｂに分岐され、配管２６ａの途中には予混合燃焼に使用される燃料（以下「予混合燃料」という）を調量する第１のバルブ２８が設けられると共に、他方の配管２６ｂの途中には拡散燃焼に使用される燃料（以下「拡散燃料」という）を調量する第２のバルブ３０が設けられる。
【００１７】
第１のバルブ２８（あるいは第２のバルブ３０）は、配管２６ａ（２６ｂ）に接続されるハウジング２８ａ（３０ａ）と、その中に進退自在に収容されるニードルバルブ本体２８ｂ（３０ｂ）と、ニードルバルブ本体２８ｂ（３０ｂ）を軸方向に進退させるリニアソレノイドなどのアクチュエータ２８ｃ（３０ｃ）とからなる。
【００１８】
第１のバルブ２８の下流において、配管２６ａは、マルチ化されたベンチュリミキサ３２の共通チャンバ３４に接続される。即ち、ベンチュリミキサ３２は複数個、例えば２４個（図示の便宜のため２個のみ示す）のベンチュリミキサからなるマルチベンチュリミキサとして構成される。
【００１９】
より具体的には、ベンチュリミキサ３２はそれぞれベンチュリ管と絞りからなる。ベンチュリ管は、その入力端が前記吸気路２２に接続されると共に、その出力端が燃焼器１６に開口される管からなり、狭隘に形成された所定の断面積のスロート部を備える。
【００２０】
絞りは、その入力端が前記した共通チャンバ３４に接続されると共に、その出力端がベンチュリ管のスロート部に穿設された、所定の開孔面積を備えた開口からなり、燃料をスロート部を通過する空気に噴出して混合気を形成する。
【００２１】
第２のバルブ３０の下流において、配管２６ｂは、燃焼器１６の隔壁を貫通してその内部に延び、燃料を燃焼器１６の内部に噴出する。尚、符号３６は、点火プラグを示す。
【００２２】
このように、ガスタービン・エンジン１０にあっては、配管２６ａを介して送られる燃料は、ベンチュリミキサ３２を介して空気と予め混合されて燃焼器１６の内部に供給されて予混合燃焼を生じると共に、配管２６ｂを介して送られる燃料は空気と別に燃焼器１６内に供給され、拡散燃焼を生じる。そして、燃焼によって生じた燃焼ガスでタービン１４が回転させられ、その出力軸１８を介してコンプレッサ１２および発電機２０が駆動される。
【００２３】
また、図１の下部に示す如く、タービン１４の回転に使用された燃焼ガスは依然７００℃程度の高温を保つことから、熱交換器３８に送られ、コンプレッサ１２で吸引された新気（大気。例えば１５℃）はそこで例えば６００℃程度まで昇温された後、ベンチュリミキサ３２に供給される。
【００２４】
このように、図示のガスタービン・エンジン１０は、再生式のガスタービン・エンジンである。尚、昇温させられた空気の一部は、希釈空気として燃焼ガスと混合させられ、燃焼ガスを希釈する。
【００２５】
配管２６ａにおいてベンチュリミキサ３２、より正確には絞りの上流側には第１の温度センサ４６が設けられ、絞りの上流位置（ミキサ入口）における燃料の温度Ｔｆ（より正確には予混合燃料温度Ｔfpre）に比例する出力を生じると共に、第１の圧力センサ４８が設けられ、ΔＰa-f （ミキサ入口空気圧力と予混合燃料圧力の差圧）に比例する出力を生じる。
【００２６】
また吸気路２２において、ベンチュリミキサ３２、より正確にはベンチュリ管の上流側には第２の温度センサ５０が設けられ、ベンチュリ管の上流位置（入口）における空気の温度（ミキサ入口空気温度）Ｔａに比例する出力を生じると共に、第２の圧力センサ５２が設けられ、ベンチュリ管の上流位置（入口）における圧力（ミキサ入口空気圧力）Ｐａに比例する出力を生じる。
【００２７】
上記したセンサ群の出力は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６０に送られる。ＥＣＵ６０はマイクロコンピュータからなり、図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを備える。ＥＣＵ６０は、第１の圧力センサ４８のΔＰa-f に比例する出力と第２の圧力センサ５２のミキサ入口空気圧力Ｐａに比例する出力に基づき、ガス燃料の圧力（より正確には予混合燃料圧力Ｐfpre）を検出する。
【００２８】
次いで、この発明の第１実施例に係るガスタービン・エンジンの制御装置の動作を説明する。この動作は具体的には、ＥＣＵ６０が行う動作である。
【００２９】
図２はその動作を示すブロック図である。
【００３０】
以下説明すると、ＥＣＵ６０は、先ず、予混合燃焼と拡散燃焼のうちのいずれかの燃焼方式に基づき、発電機２０およびタービンの出力軸１８の回転数から適宜な特性に従って流量コマンドＱfcom1，Ｑfcom2を算出し、前記した第１、第２のバルブ２８，３０のうちの対応するバルブの開度指令値に変換して出力する。それにより、燃焼器１６には開度指令値に相応する流量の燃料が供給される。
【００３１】
具体的には、第１のバルブ２８が開弁されると共に、第２のバルブ３０が閉弁されると、予混合燃料が供給されて予混合燃焼が生じさせられる。逆に、第１のバルブ２８が閉弁されると共に、第２のバルブ３０が開弁されると、拡散燃料が供給されて拡散燃焼が生じさせられる。
【００３２】
このように、第１、第２のバルブ２８，３０の開度を制御することで、燃焼方式が切り替えられる。以下、予混合燃料の流量を予混合燃料流量Ｇfpre、拡散燃焼のそれを拡散燃料流量Ｇfdiff という。
【００３３】
ＥＣＵ６０は次いでＢ１において、算出した流量コマンドＱfcom1に相当する予混合燃料流量Ｇfpre、前記したセンサ出力の中の予混合燃料圧力Ｐfpre、および予混合燃料温度Ｔfpreに基づき、燃焼器１６に供給された予混合燃料流量Ｇfpreの修正値（修正予混合燃料流量）Ｇfpre＊を図示の式に基づいて算出し、Ｂ２において前記したセンサ出力の中の予混合燃料圧力Ｐfpreの修正値（修正予混合燃料圧力）Ｐfpre＊を算出し、Ｂ３において算出した修正予混合燃料流量Ｇfpre＊と修正予混合燃料圧力Ｐfpre＊からマップを検索して燃焼器１６に供給された修正空気流量Ｇａ＊を算出する。
【００３４】
図３の上部にそのマップの特性を、下部にＢ１などに示す式と使用パラメータを示す。修正空気流量Ｇａ＊は、図３の下部に示す式に従って算出される修正値を意味する。
【００３５】
尚、この明細書で流量は全て、質量流量を意味する。また、図２のＢ１などの算出では予混合燃料流量Ｇfpreを例にとるが、これは拡散燃料流量Ｇfdiff についても同様である。その意味で、図３では添字「pre 」の付記を省略した。
【００３６】
図３に示すマップは、ベンチュリミキサ３２の流量特性を実際に計測して得たデータに基づいて予め作成したものであり、図示の如く、修正燃料流量Ｇｆ＊と修正燃料圧力Ｐｆ＊から検索自在とされる。尚、図３において修正燃料流量Ｇｆ＊として６種を示すが、これは例示である。
【００３７】
ここで、「修正」とは、マップを作成するために規準として任意に定めた圧力、温度に換算した値であることを意味し、「＊」を付して示す。例えば、圧力は標準大気圧、温度は０℃（あるいは１５℃）を示す。このように、修正値でマップを作成することにより、温度、圧力が異なる場合でも精度良く、空気流量を求めることができる。
【００３８】
次いでＢ４において、マップ検索で得た修正空気流量Ｇａ＊に、図３の下部に示す式の逆数を乗じ、修正前の空気流量Ｇａを算出する。
【００３９】
次いでＢ５において、断熱火炎温度Ｔadを算出する。図３の下部に算出式を示す。図示の式において、右辺の第１項は燃焼による昇温を、第２項は初期温度を示す。
【００４０】
このように、断熱火炎温度Ｔadの算出に際しては、ベンチュリミキサ３２の流量特性を実際に計測して得たデータに基づいて作成すると共に、基準となる圧力、温度で修正した値から検索するようにした空気流量などを用いて燃焼による昇温を算出し、初期温度に加算することで、断熱火炎温度Ｔadを精度良く算出することができる。
【００４１】
次いでＢ６（燃焼切り替え判断ブロック）において、算出した断熱火炎温度Ｔadと検出したミキサ入口空気温度Ｔａに基づき、燃焼方式の切り替え判断を行う。具体的には、算出した断熱火炎温度Ｔadを、拡散燃焼から予混合燃焼への切り替え断熱火炎温度しきい値Ｔads-pre と予混合燃焼から拡散燃焼への切り替え断熱火炎温度しきい値Ｔads-diffなどと比較すると共に、検出したミキサ入口空気温度Ｔａを予混合燃焼下限ミキサ入口空気温度Ｔalimt と比較することで行う。これについては後述する。
【００４２】
次いでＢ７（燃焼切り替え制御ブロック）において、Ｂ６の判断結果に基づき、燃焼切り替え制御を実行する。より正確には、Ｂ６で燃焼方式を切り替えるべきと判断されたとき、Ｂ７で燃焼方式の切り替えを実行する。以下、この燃焼方式の切り替えを「ステージング」という。
【００４３】
図４は、図２のＢ６の処理を示すフロー・チャートである。図示のプログラムは、４０ｍｓｅｃごとに実行される。
【００４４】
以下説明すると、Ｓ１０で現在の燃焼方式を拡散燃焼とし（換言すれば、図示のプログラムは現在の燃焼方式が拡散燃焼にあることを前提とする）、Ｓ１２に進み、検出されたミキサ入口空気温度ＴａがＴalimt 以上か否か判断する。Ｔalimtは前記したように予混合燃焼下限ミキサ入口空気温度を示し、予混合燃焼が可能なミキサ入口空気温度の下限値を意味する。
【００４５】
図５はＴalimt の特性を示す。図示の如く、Ｔalimtはミキサ入口空気圧力Ｐａに応じて可変に、具体的には、ミキサ入口空気圧力Ｐａが増加するにつれて減少するように設定される。即ち、同一の断熱火炎温度であっても、ミキサ入口空気温度や圧力によって燃焼特性が異なり、圧力や温度が高いと燃焼は安定する傾向にあり、低いと不安定になる。このように、断熱火炎温度の他に、ミキサ入口空気温度や圧力によっても予混合燃焼の範囲が決まることから、同図においてはミキサ入口空気圧力Ｐａ（および図示は省略するが、ミキサ入口空気温度）に応じて設定する。具体的には、同図は、Ｔalimt を一定に保ち、ミキサ入口空気温度および圧力を変化させたとき、ＣＯ濃度が一定となるミキサ入口空気温度および圧力の関係を求めて設定するようにした。
【００４６】
Ｓ１２で否定されるときは予混合燃焼が不可能であることから、Ｓ１０に戻って燃焼方式を拡散燃焼に維持すると共に、肯定されるときはＳ１４に進み、算出した断熱火炎温度ＴadがＴads-pre 以上か否か判断する。Ｔads-pre は前記したように拡散燃焼から予混合燃焼への切り替え断熱火炎温度しきい値を示し、安定した予混合燃焼が得られるような値を実験を通じて求め、図６に示す如く、断熱火炎温度Ｔadに対して設定した値である。
【００４７】
Ｓ１４で否定されるときは予混合燃焼に切り替える断熱火炎温度条件が整っていないと判断して同様にＳ１０に戻って燃焼方式を拡散燃焼に維持すると共に、肯定されるときはＳ１６に進み、予混合燃焼に切り替える断熱火炎温度条件が整ったことから、拡散燃焼から予混合燃焼への燃焼方式の切り替え（ステージング）制御を行う。これは、前述した図２の燃焼切り替え制御ブロック（Ｂ７）が行う処理である。
【００４８】
図７は、拡散燃焼から予混合燃焼への燃焼方式の切り替え制御を示すタイム・チャートである。
【００４９】
図７において、Ｇfrはガスタービン・エンジン１０が要求する燃料流量である。即ち、Ｇfrは、ガスタービン・エンジン１０（具体的には燃焼器１６）に供給される燃料の総和（予混合燃料流量Ｇfpreと拡散燃料流量Ｇfdiffの和）の目標値である。図示の如く、拡散燃焼が実行されている間は、拡散燃料流量Ｇfdiffが要求燃料流量Ｇfrと一致するように流量コマンドＱfcom2が算出され、第２のバルブ３０の開度が制御されると共に、予混合燃料流量Ｇfpreが零となるように流量コマンドＱfcom1が算出され、第１のバルブ２８が閉弁される。
【００５０】
燃焼切り替え判断ブロックＢ６で拡散燃焼を予混合燃焼に切り替えることができると判断されてステージングが開始されると、先ず、第２のバルブ３０の開度はそのままに、予混合燃焼を実行するのに必要な燃料が供給されるように第１のバルブ２８が開弁される。具体的には、所定期間ＴＩＭＥ-pre-stg（例えば０．４ｓｅｃ）にわたり、予混合燃料流量Ｇfpreが所定流量Ｇfstg-minとなるように、第１のバルブ２８の開度が制御される。所定流量Ｇfstg-minは、予混合燃焼および拡散燃焼を実行するのに必要な最小限の燃料流量に設定される。
【００５１】
前述したように、第１のバルブ２８は配管２６ａの途中に配置される。従って、第１のバルブ２８が開弁してから予混合燃料が燃焼器１６に到達するまでには、第１のバルブ２８から燃焼器１６に至るまでの配管２６ａの容積（以下「配管ボリューム」という）に応じた時間的な遅れが生じる。そこで、ステージングの初期では、第２のバルブ３０の開度を維持したまま第１のバルブ２８を開弁し、配管ボリュームによる予混合燃料の供給遅れを解消するようにした。従って、所定期間ＴＩＭＥ-pre-stgに燃焼室１６に実際に供給されるのは拡散燃料流量Ｇfdiffのみとなり、要求燃料流量Ｇfrに一致する。
【００５２】
所定期間ＴＩＭＥ-pre-stgが経過すると、所定流量Ｇfstg-minに相当する予混合燃料が燃焼器１６に供給され始めるため、拡散燃料Ｇfdiffが所定流量Ｇfstg-minだけ瞬時に低下するように、第２のバルブ３０の開度を減少させる。その後、予混合燃料流量Ｇfpreと拡散燃料流量Ｇfdiffの和が一定に（Ｇfrに）保たれるように、第２のバルブ３０の開度を徐々に減少させる（Ｇfdiffを徐々に低下させる）一方、第１のバルブ２８の開度を徐々に増大させる（Ｇfpreを徐々に増加させる）。
【００５３】
そして、拡散燃料流量Ｇfdiffが所定流量Ｇfstg-minまで低下したとき、拡散燃料流量Ｇfdiffが瞬時に零となるように第２のバルブ３０を閉弁させると共に、予混合燃料流量Ｇfpreが瞬時にＧfstg-minだけ増加する（Ｇfrに一致する）ように第１のバルブ２８の開度を増大させる。この時点でステージングが終了し、燃焼器１６では予混合燃焼のみが実行される。ステージング開始から終了までの期間ＴＩＭＥ-stgは、例えば６ｓｅｃに設定される。
【００５４】
尚、上記において、所定流量Ｇfstg-minを予混合燃焼および拡散燃焼を実行するのに最小限必要な流量に設定し、ステージング初期のＧfdiffとＧfpreの瞬時の変化量（Ｇfdiffの低下量とＧｆpreの増加量）、およびステージング終了時のそれを共にＧfstg-minとするようにしたが、それらを相違させるようにしても良い。例えば、ステージング初期の変化量を予混合燃焼の実行に必要な最小限の流量に設定する一方、ステージング終了時の変化量を拡散燃焼の実行に必要な最小限の流量に設定しても良い。そのように設定することで、ガスタービン・エンジン１０に供給される燃料の総和を一定に保ちつつ、両方の燃焼方式に失火を発生させることなく燃焼方式を切り替えることができる。
【００５５】
図４フロー・チャートの説明に戻ると、このようにして燃焼方式が予混合燃焼に切り替えられたことからＳ１８に進んで現在の燃焼方式を予混合燃焼とし、Ｓ２０に進み、検出されたミキサ入口空気温度Ｔａが前記したＴalimt 以上か否か判断する。
【００５６】
Ｓ２０で肯定されるときはＳ２２に進み、算出した断熱火炎温度ＴadがＴads-diff以上か否か判断する。Ｔads-diffは前記したように予混合燃焼から拡散燃焼への切り替え断熱火炎温度しきい値を示し、図６に示す如く、Ｔads-pre よりも低温側に設定される。
【００５７】
即ち、しきい値を１種のみとすると、燃焼方式の切り替えの前後で断熱火炎温度Ｔadの算出値に誤差が生じた場合に、制御ハンチングが生じて切り替えが繰り返される可能性があることから、拡散燃焼から予混合燃焼、予混合燃焼から拡散燃焼に切り替えるしきい値をそれぞれＴads-pre ，Ｔads-diffとして別個に設定するようにした。さらには、予混合燃焼から拡散燃焼への切り替えよりも、拡散燃焼から予混合燃焼への切り替えの方が燃焼が不安定になって失火し易い傾向にあるので、Ｔads-pre をＴads-diffよりも高温側に設定することで、拡散燃焼から予混合燃焼へ切り替えた際の燃焼を安定させるようにした。
【００５８】
Ｓ２２で肯定されるときはＳ１８に戻って予混合燃焼を継続すると共に、否定されるときは安定した予混合燃焼の継続が困難であることから、Ｓ２４に進み、予混合燃焼から拡散燃焼への切り替えを行う。尚、これは、Ｓ２０で否定されたときも同様である。
【００５９】
図８は、予混合燃焼から拡散燃焼への燃焼方式の切り替え制御を示すタイム・チャートである。
【００６０】
図８に示すように、燃焼切り替え判断ブロックＢ６で予混合燃焼を拡散燃焼に切り替えるべきと判断されてステージングが開始されると、第１のバルブ２８の開度はそのままに、拡散燃焼を実行するのに必要な燃料が供給されるように（拡散燃料流量Ｇfdiffが所定流量Ｇfstg-minとなるように）、第２のバルブ３０を所定期間ＴＩＭＥ-pre-stgにわたって開弁する。これは、拡散燃焼を予混合燃焼に切り替えるときと同様に、第２のバルブ３０から燃焼器１６に至るまでの配管２６ｂの容積（配管ボリューム）による拡散燃料の供給遅れを解消するためである。従って、所定期間ＴＩＭＥ-pre-stgに燃焼室１６に実際に供給されるのは予混合燃料流量Ｇfpreのみとなり、要求燃料流量Ｇfrに一致する。尚、所定期間ＴＩＭＥ-pre-stgは、各配管２６ａ，２６ｂの配管ボリュームに応じて適宜設定される。
【００６１】
所定期間ＴＩＭＥ-pre-stgが経過すると、所定流量Ｇfstg-minに相当する拡散燃料が燃焼器１６に供給され始めるため、予混合燃料Ｇfpreが所定流量Ｇfstg-minだけ瞬時に低下するように、第１のバルブ２８の開度を減少させる。その後、予混合燃料流量Ｇfpreと拡散燃料流量Ｇfdiffの和が一定に（Ｇfrに）保たれるように、第１のバルブ２８の開度を徐々に減少させる（Ｇfpreを徐々に低下させる）一方、第２のバルブ３０の開度を徐々に増大させる（Ｇfdiffを徐々に増加させる）。そして、予混合燃料流量Ｇfpreが所定流量Ｇfstg-minまで低下したとき、予混合燃料流量Ｇfpreが瞬時に零となるように第１のバルブ２８を閉弁させると共に、拡散燃料流量Ｇfdiffが瞬時にＧfstg-minだけ増加する（Ｇfrに一致する）ように第２のバルブ３０の開度を増大させる。この時点でステージングが終了し、燃焼器１６では拡散燃焼のみが実行される。尚、ステージング開始から終了までの期間ＴＩＭＥ-stgは、拡散燃焼から予混合燃焼への切り替えのときと同様に、例えば６ｓｅｃに設定される。
【００６２】
また、予混合燃焼から拡散燃焼への切り替えにおいても、ステージング初期のＧfdiffとＧfpreの瞬時の変化量（Ｇfdiffの増加量とＧfpreの低下量）と、ステージング終了時のそれを相違させるようにしても良い。即ち、ステージング初期の変化量を拡散燃焼の実行に必要な最小限の流量に設定する一方、ステージング終了時の変化量を予混合燃料の実行に必要な最小限の流量に設定しても良い。
【００６３】
このように、この発明の第１実施例に係るガスタービン・エンジンの制御装置にあっては、予混合燃焼に使用される燃料を調量する第１のバルブ２８と、拡散燃焼に使用される燃料を調量する第２のバルブ３０を備え、燃焼方式を一方から他方（予混合燃焼から拡散燃焼、あるいは拡散燃焼から予混合燃焼）に切り替えるとき、他方の燃焼方式を実行するのに必要な燃料が供給されるように第１のバルブ２８と第２のバルブ３０のうちの他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させると共に、他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させてから所定期間ＴＩＭＥ-pre-stg経過後、ガスタービン・エンジン１０に供給される燃料の総和（予混合燃料流量Ｇfpreと拡散燃料流量Ｇfdiffの和）が一定に（ガスタービン・エンジン１０の要求燃料流量Ｇfrに）保たれるように、一方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に減少させる一方、他方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に増大させるようにしたので、燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼の間で切り替えるとき、ガスタービン・エンジン１０に供給される燃料の総和を目標値（Ｇfr）に精度良く制御することができ、エンジン回転数の変動を抑制することができる。
【００６４】
図９は、本願に係る装置で燃焼方式を切り替えたときのエンジンの回転数の変動を、従来技術と対比して示す説明図である。図９に示すように、本願にあっては、配管ボリュームに起因する燃料の供給遅れを考慮することにより、切り替え時の回転数の低下が従来技術（従来技術の欄で述べた特許文献１に記載される技術）に比して大幅に抑制することができる。また、エンジン回転数の低下を抑制することで、その後のオーバーシュートも抑制される。結果として、従来技術に比して、エンジン回転数の変動幅を１／４程度に抑制することに成功した。具体的には、目標エンジン回転数が７８０００ｒｐｍのとき、従来技術の回転変動が１２００ｒｐｍであったのに対し、本願では３００ｒｐｍに抑制することができた。
【００６５】
さらに、この発明の第１実施例に係るガスタービン・エンジンの制御装置にあっては、燃焼の挙動を直接的に示す断熱火炎温度と、予混合燃焼を行うときの失火限界を示すことが可能なミキサ入口空気温度とに基づいて燃焼方式の切り替えを判断するようにしたので、燃焼状態を精度良く予測することができ、安定した燃焼方式の切り替えを実現することができると共に、燃焼範囲において狭い予混合燃焼を有効に活用することができ、低エミッション化を図ることができる。
【００６６】
また、燃焼の挙動を直接的に示す断熱火炎温度Ｔadを用いて２種のしきい値Ｔads-pre,Ｔads-diffと比較し、断熱火炎温度ＴadがＴads-pre 以上のときは予混合燃焼を選択すると共に、Ｔads-pre 未満となっても第２のしきい値Ｔads-diff以上であれば予混合燃焼を継続するようにしたので、燃焼方式の切り替え時にハンチングが発生するのを防止することができる。
【００６７】
また、ベンチュリミキサ３２の流量特性を実際に計測して得たデータに基づいてマップを作成すると共に、基準となる圧力、温度に換算した修正値を用いて検索（算出）するようにしたので、空気流量を精度良く算出することができる。また、かく算出された空気流量などを用いて燃焼による昇温を算出し、初期温度に加算することで、断熱火炎温度Ｔadを精度良く算出することができる。
【００６８】
以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、ガスタービン・エンジン（１０）の燃焼方式を予混合燃焼と拡散燃焼との間で切り替えるガスタービン・エンジンの制御装置であって、前記予混合燃焼に使用される燃料（予混合燃料）を調量する第１のバルブ（２８）と、前記拡散燃焼に使用される燃料（拡散燃料）を調量する第２のバルブ（３０）と、および前記第１のバルブ（２８）と前記第２のバルブ（３０）の開度を制御して前記予混合燃焼と前記拡散燃焼とからなる前記燃焼方式を一方から他方に切り替える燃焼方式切り替え手段（ＥＣＵ６０）とを備えたガスタービン・エンジンの制御装置において、前記燃焼方式切り替え手段（６０）は、前記燃焼方式を前記一方から前記他方に切り替えるとき、前記他方の燃焼方式を実行するのに必要な燃料が供給されるように前記第１のバルブ（２８）と前記第２のバルブ（３０）のうちの前記他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させると共に、前記他方の燃焼方式に対応するバルブを開弁させてから所定期間（ＴＩＭＥ-pre-stg）経過後、前記ガスタービン・エンジン（１０）に供給される燃料の総和（予混合燃料流量Ｇfpreと拡散燃料流量Ｇfdiffの和）が一定に（ガスタービン・エンジンの要求燃料流量Ｇfrに）保たれるように、前記一方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に減少させる一方、前記他方の燃焼方式に対応するバルブの開度を徐々に増大させるように構成した。
【００６９】
尚、上記において、第１のバルブ２８と第２のバルブ３０をニードルバルブとしたが、他の形式のバルブを用いても良い。また、バルブと同等な機能を有する他の流体調量機構を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の第１実施例に係るガスタービン・エンジンの装置を概略的に示す概略図である。
【図２】図１に示す装置の動作を表すブロック図である。
【図３】図２ブロックのブロックＢ３の処理で使用されるマップの特性を示す説明グラフである。
【図４】図２ブロックのブロックＢ６，Ｂ７の処理を表すフロー・チャートである。
【図５】図４フロー・チャートで使用される予混合燃焼下限ミキサ温度Ｔadlimtの特性を表す説明グラフである。
【図６】図４フロー・チャートで使用される各種のしきい値を表す説明グラフである。
【図７】図２ブロックのブロックＢ７および図４フロー・チャートの処理の中の拡散燃焼から予混合燃焼への切り替え（ステージング）制御を表すタイム・チャートである。
【図８】同様に、図２ブロックのブロックＢ７および図４フロー・チャートの処理の中の予混合燃焼から拡散燃焼への切り替え（ステージング）制御を表すタイム・チャートである。
【図９】図１に示す装置で燃焼方式を切り替えたときのエンジンの回転数の変動を、従来技術と対比して示す説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０：ガスタービン・エンジン、２８：第１のバルブ、３０：第２のバルブ、６０：ＥＣＵ（燃焼方式切り替え手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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